[发明专利]一种镍填充掺氮碳纳米管及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种镍填充掺氮碳纳米管及其制备方法和应用。所述制备方法包括以下步骤：(1)将氯化镍和碳氮源加入分散剂中，搅拌均匀后，经超声、干燥和研磨后得到混合粉末；所述的碳氮源为三聚氰胺、双氰胺、单氰胺中的一种或者几种；(2)将步骤1中得到的混合粉末在惰性气体氛围下进行煅烧，煅烧后再进行酸处理，得到镍填充的掺氮碳纳米管。本发明还提供了该制备方法得到的镍填充掺氮碳纳米管以及其应用。本发明制备方法开创性的通过简单高温热解氯化镍和碳氮源的混合物，制备得到的镍填充掺氮碳纳米管，与单一的镍填充碳纳米管方法相比，镍的填充率大大提高，氮元素的掺入也极大改良了碳纳米管的电化学性能，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种镍填充掺氮碳纳米管及其制备方法和应用。

背景技术

碳纳米管(CNTs)是一种新型纳米碳材料，具有优良的电子传导性、吸附性和电化学催化性等特性，其在场发射源、复合材料、储氢材料、催化剂等领域得到了广泛的应用。目前，制备碳纳米管的方法主要包括电弧法、催化裂解碳氢化合物、激光蒸发凝结碳镍钴混合物和电化学沉积法。

科学工作者们发现碳纳米管中掺杂非金属元素和碳纳米管内填充金属单质或金属氧化物等都能明显地提高其性能，所以近年来金属填充的碳纳米管和非金属掺杂的碳纳米管逐渐成为了碳材料研究领域的热点之一。碳纳米管的掺杂能明显地改变碳纳米管的电子结构，从而提高其性能，如氮掺杂的碳纳米管具有替代铂用作氧还原反应催化剂的潜力[Gong KP,et al.Science,2009,323(5915):760]。金属单质、金属氧化物、金属碳化物等金属物质的填充能改变碳纳米管表面的电子特性，从而影响其电化学性、催化性、吸附等性能，如镍填充的碳纳米管表现出了优异的酸性和碱性氧还原催化性能，其中镍的填充量与碳纳米管的性能息息相关。

目前镍填充碳纳米管的填充方法有后填充法和原位填充法。后填充法主要为浸渍填充法，原位填充法主要为化学气相沉积法和电弧放电法。浸渍填充法即将已经制备好的碳纳米管直接浸渍在金属镍盐中，金属镍填充进碳纳米管的空腔内部。该方法虽简单、反应条件较温和，但得到碳纳米管的镍含量低。典型的制备方法如：张宁等人采用等体积浸渍法制备Ni/CNTs催化剂时，最后得到镍的填充量仅为7％[张宁，周冬兰，朱瑜，催化学报，2006，27(7):591-595]。化学气相沉积法即原位填充法的一种，该方法将碳源气化在载气的带动下进入高温区裂解，在镍催化剂的催化作用下生长碳纳米管，最终得到镍填充碳纳米管。该方法存在金属填充量低的问题，并且该方法制备过程复杂，设备要求高，制备过程不安全。原位填充法的另一类主要方法是电弧放电法，针对这一方法，中国发明专利CN106328393A进行了详细的阐述——该方法的反应条件较苛刻，有时需要在上千度的温度下进行。利用电弧放电法得到填充的物质一般以金属碳化物的形式存在，而且产量和填充率都很低。

综上所述，目前制备镍填充碳纳米管的方法，存在产量低，镍的填充量低，反应条件苛刻，制备过程繁琐、不安全等问题，很难投入实际工业生产，进而限制了镍填充碳纳米管的工业应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明开创性的提供了一种镍填充掺氮碳纳米管的制备方法，通过将镍填充和掺氮技术相结合，大大的提高了镍的填充量，极大提高了碳纳米管的性能。该方法具体如下：

步骤1：将氯化镍和碳氮源加入分散剂中，搅拌均匀后，经超声、干燥和研磨后得到混合粉末；

所述的碳氮源为三聚氰胺、双氰胺、单氰胺中的一种或者几种；

步骤2：将步骤1中得到的混合粉末在惰性气体氛围下进行煅烧，煅烧后再进行酸处理，得到镍填充的掺氮碳纳米管。

优选的，所述的步骤1中氯化镍和碳氮源的质量比例为2：(1～6)。

优选的，所述的分散剂为无水乙醇。

优选的，所述的超声时间为15～30min，干燥温度为90～110℃，干燥时间为5～8h。